Введение

Реакция окиси углерода и водяного пара. Реакция конверсии водяного газа (WGSR) описывает реакцию окиси углерода и водяного пара с образованием углекислого газа и водорода: CO + H2O → CO2 + H2. Реакция конверсии водяного газа была открыта итальянским физиком Феличе Фонтаной в 1780 году. Однако промышленная ценность этой реакции была осознана лишь значительно позже. До начала XX века водород получали путем взаимодействия пара под высоким давлением с железом, в результате чего образовывались оксид железа и водород. С развитием промышленных процессов, требующих водорода, таких как синтез аммиака по Габеру-Бошу, возникла необходимость в более дешевом и эффективном методе производства водорода. Для решения этой проблемы реакция конверсии водяного газа была объединена с газификацией угля для получения водорода.

Приложения

WGSR – это высокоценная промышленная реакция, используемая в производстве аммиака, углеводородов, метанола и водорода. Ее наиболее важное применение связано с конверсией монооксида углерода, полученного при паровом риформинге метана или других углеводородов, в водород. В процессе Фишера-Тропша WGSR является одной из ключевых реакций для регулирования соотношения H2/CO. Она обеспечивает источник водорода за счет расходования монооксида углерода, что важно для получения водорода высокой чистоты, необходимого для синтеза аммиака. Реакция конверсии водяного газа может быть нежелательной побочной реакцией в процессах, включающих воду и монооксид углерода, например, в процессе Монсанто на основе родия. Процесс Катива на основе иридия использует меньшее количество воды, что подавляет эту реакцию.

Топливные элементы

ВГСО может способствовать повышению эффективности топливных элементов за счет увеличения выработки водорода. ВГСО считается важнейшим компонентом для снижения концентрации монооксида углерода в элементах, чувствительных к отравлению монооксидом углерода, таких как топливные элементы на протонно-обменных мембранах (PEM). Коммерческий катализатор LTS, используемый на крупных промышленных предприятиях, также является пирофорным в неактивном состоянии и, следовательно, представляет опасность для потребительских применений.

Условия реакции

Равновесие этой реакции существенно зависит от температуры, и постоянная равновесия уменьшается с повышением температуры, то есть образование водорода преобладает при более низких температурах.

Зависимость от температуры

С повышением температуры скорость реакции увеличивается, но производство водорода становится менее термодинамически выгодным, поскольку реакция конверсии водяного газа умеренно экзотермична; это смещение химического равновесия можно объяснить в соответствии с принципом Ле Шателье. В температурном диапазоне 600–2000 К равновесная константа для реакции конверсии водяного газа (WGSR) имеет следующую зависимость: хром стабилизирует оксид железа и предотвращает спекание. Катализаторы HTS работают в температурном диапазоне от 310 °C до 450 °C. Температура возрастает вдоль реактора из-за экзотермического характера реакции. Поэтому температура на входе поддерживается на уровне 350 °C, чтобы предотвратить превышение температуры на выходе 550 °C. Промышленные реакторы работают в диапазоне от атмосферного давления до 8375 кПа (82,7 атм), при этом сообщается об значениях энергии активации, относящихся к образованию водорода, до 34 кДж/моль.

Катализа сдвига при низкой температуре

Катализаторы для реакции WGS при более низких температурах обычно основаны на меди или оксиде меди, нанесенных на керамические носители. Хотя наиболее распространенными носителями являются оксид алюминия или оксид алюминия с оксидом цинка, в качестве носителей могут также использоваться оксиды редкоземельных элементов, шпинели или перовскиты. Типичный состав коммерческого катализатора LTS составляет 32–33% CuO, 34–53% ZnO, 15–33% Al2O3. Активным каталитическим компонентом является CuO. Функция ZnO заключается в обеспечении структурной стабильности и предотвращении отравления меди серой. Al2O3 предотвращает чрезмерное раздробление и усадку гранул. Реактор сдвига LTS работает в диапазоне 200–250 °C. Верхний предел температуры обусловлен склонностью меди к термическому спеканию. Эти более низкие температуры также снижают вероятность возникновения побочных реакций, наблюдаемых в случае HTS. Для LTS также использовались благородные металлы, такие как платина, нанесенные на церий.

Механизм

[[Файл:Механизм WGS.png|550px|thumb|right|Предлагаемые ассоциативные и редокс-механизмы реакции конверсии водяного газа. Предложено два механизма: ассоциативный механизм Ленгмюра-Хиншелвуда и редокс-механизм. Редокс-механизм обычно считается кинетически значимым при высоких температурах реакции конверсии водяного газа (> 350 °C) на промышленном железохромовом катализаторе.

Ассоциативный механизм

В 1920 году Армстронг и Хильдич впервые предложили ассоциативный механизм. В этом механизме CO и H2O адсорбируются на поверхность катализатора, после чего формируется промежуточное соединение и происходит десорбция H2 и CO2. В общем случае H2O диссоциирует на катализаторе с образованием адсорбированных OH и H. Диссоциированная вода реагирует с CO, образуя карбоксильный или формиатный промежуточный продукт. Затем промежуточное соединение дегидрируется с образованием CO2 и адсорбированного H. Два адсорбированных атома H рекомбинируют, образуя H2. Существовали значительные споры относительно кинетически релевантного промежуточного соединения в ассоциативном механизме. Экспериментальные исследования показывают, что оба промежуточных соединения вносят вклад в скорость реакции на переходных металлах, нанесенных на оксиды металлов.

Редоксовый механизм

Редокс-механизм включает изменение степени окисления каталитического материала. В этом механизме CO окисляется атомом O, изначально входящим в состав каталитического материала, с образованием CO2. Молекула воды диссоциативно адсорбируется на вновь образовавшейся вакансии кислорода, образуя два гидроксила. Гидроксилы непропорционально распадаются с образованием H2 и восстанавливают каталитическую поверхность в её исходное состояние до реакции.

Однородные модели

Механизм включает нуклеофильную атаку воды или гидроксид-иона на центр M CO, приводящую к образованию металлакарбоновой кислоты.

Обратная смена воды и газа

При преобразовании углекислого газа в полезные материалы реакция конверсии водяного газа используется для получения монооксида углерода из водорода и углекислого газа. Это иногда называют обратной реакцией конверсии водяного газа. Водяной газ определяется как топливный газ, состоящий главным образом из монооксида углерода (CO) и водорода (H2). Термин «конверсия» в реакции конверсии водяного газа означает изменение соотношения компонентов водяного газа (CO:H2). Это соотношение можно увеличить, добавляя углекислый газ, или уменьшить, добавляя водяной пар в реактор.